新能源汽车电池管理系统:开启绿色出行新时代

产品分类

联系方式

上海茂育科技有限公司
销售中心：上海普陀区祁安路88-6号
生产基地：上海松江工业园
电话：021-56311657 / 56411696
传真：021-56411696
手机：13918521958
手机：13916286558(陈经理)
业务QQ：65116877 68079708
网址：www.mykejiao.com
邮箱：shanghaimaoyu@126.com

新闻中心

作者：管理员发布时间：2024-10-28 11:06:18

　　新能源汽车电池管理系统:开启绿色出行新时代
一、新能源汽车电池管理系统概述
（一）BMS 的定义与分类
新能源汽车的电池管理系统即 Battery management system，简称 BMS。它是由电池电子部件和电池控制单元组成的电子装置。电池电子部件是采集电池单体（集成）或电池模块（集成）的与电和热相关的数据，并将这些数据提供给电池控制单元的电子装置，通常意义上的从控。而电池控制单元是控制或管理电池系统电或热性能，并可以与车辆上的其他控制单元进行信息交互的电子控制部件，即通常意义上的主控。
BMS主要有集中式、分布式和模块化三种分类方式。集中式把电子部件归纳在板块内，采样芯片由菊花链接主芯片通信，链路简单，成本低廉，但稳定性不足。分布式由主板、从板组成，系统配置灵活，通道利用率高，适用于各类电池组，但电池模组数量不足时会造成通道浪费。模块化则结合了集中式和分布式的优点，具有较高的灵活性和可扩展性。
（二）BMS 的组成结构
BMS 的硬件架构包含 CPU、电源和采样 IC、隔离变压器、CAN 模块、EEPROM 和 RCT 等，其核心是 CPU。硬件结构分为集中式和分布式两种拓扑结构。
底层软件根据汽车开放系统结构进行设计，主要负责与硬件的交互和数据处理。它能够实现对电池状态的实时监测和控制，包括电压、电流、温度等参数的采集和处理。
应用层软件主要负责与用户的交互和功能实现。它可以提供电池状态的显示、故障诊断、SOC 估算等功能，为用户提供直观的电池信息和操作指导。
（三）BMS 的重要性
BMS 在新能源汽车中起着至关重要的作用。首先，它能够实时监控电池的状态，包括电压、电流、温度等参数，及时发现电池的异常情况，保障电池的安全运行。例如，当电池出现过充、过放、过温等情况时，BMS 能够及时采取措施，防止电池损坏甚至发生安全事故。
其次，BMS 能够延长电池的使用寿命。通过对电池状态的准确评估和合理的充放电管理，BMS 可以避免电池的过度充放电和不均衡使用，从而延长电池的使用寿命。据统计，良好的 BMS 管理可以使电池的使用寿命延长 20% 以上。
此外，BMS 还能够提高新能源汽车的性能和可靠性。通过优化电池的充放电策略和能量管理，BMS 可以提高电池的能量利用率，增加新能源汽车的续航里程。同时，BMS 还可以提高新能源汽车的可靠性，减少故障发生的概率，提高用户的使用体验。

二、新能源汽车电池管理系统的作用
（一）确保电池安全
BMS 在确保电池安全方面起着关键作用。新能源汽车的电池在使用过程中，可能会出现放电、漏电、过温异常等状况，若不加以控制，极有可能引发爆炸等危险。BMS 能够实时监测电池的各项参数，如电压、电流、温度等。当电池出现过温异常时，BMS 会及时启动热管理系统，通过散热或加热等方式，将电芯温度控制在稳定水平内。例如，在一些赛道测试中，电动汽车在激烈驾驶一段时间后，BMS 会限制动力，通过限制放电功率来避免电芯过热。对于放电和漏电情况，BMS 中的故障诊断模块会自动检测，一旦发现问题，会及时响应并进行处理。如当电池发生短路时，BMS 会启动过流保护，采用热熔断器、智能熔断器或断路器等方式，防止大电流导致电池迅速升温并发生热失控事件。据统计，良好的 BMS 管理能将电池发生安全事故的概率降低 80% 以上。
（二）准确预估电池状态
BMS 能够准确预估电池的剩余电量，这对于新能源汽车的用户来说至关重要。它通过实时采集电池的充放电状态下的各项参数，如电池总电压、电流、每个电池箱内电池检测点温度及单体模块电池电压等，再运用相关算法进行电量估算，让司机及时了解系统运行状况。同时，BMS 还能监视动态电池的工作状态，实时采集动态电池组单个电池的电压、电阻和温度，防止电池发生漏电或亏电现象，保证整体电池的运行可靠性和牢固性。例如，当某个单体电池电压过高或过低时，为保证电池组的正常使用及性能发挥，系统将切断继电器，停止电池的能量供给和释放。
（三）实现电池均衡管理
在电池组中，由于每个产品之间会存在不同的差异，随着长时间的操作，锂电池后期之间的差异会越加明显。BMS 通过均衡功能，解决电池组中单体电芯不一致性问题。当电池组中出现单体电池电量差异较大时，BMS 会采用被动均衡或主动均衡的方式进行处理。被动均衡是通过能量消耗，限制电压最高的电池单元的充电电流，来实现和电压较低的电池单元的充电平衡；主动均衡则是通过能量补充，补充电压低的电池单元的充电电流，来实现和电压较高的电池单元的充电平衡。例如，在串联电池组中，容量大的电池总会浅充浅放，而容量小的总会过充过放，BMS 的均衡功能可以缩小这种差异，保持电池的一致性，提高电池效率和寿命。据研究表明，良好的均衡管理可以使电池组的寿命延长 30% 以上。
三、新能源汽车电池管理系统的技术难点
（一）一致性问题难解决
BMS 未能有效解决电池组一致性问题主要有以下原因。首先，电池组的一致性问题受多种因素影响，除了电池自身差异的内因外，主要由充放电电压、充放电电流和环境温度这三个外因引起。蓄电池对充放电电压非常敏感，过充电和过放电会对电池造成很大伤害，多次发生会使电池衰减进入加速状态，快速形成一致性问题。通常情况下，串联电池组中不同容量电池在相同充放电流下充放电倍率不同，容量小的电池充放电倍率相对较大，充放电倍率越大，电池循环使用寿命越少。电池的衰减与环境温度密切关联，温度升高，衰减加速，且内阻升高会导致充放电速度和容量受影响，还会使内部损耗增大、温度加速增高，形成恶性循环。其次，即使配置了主动均衡充电功能也无法从根本上解决问题，因为均衡充电功能好的效果也只能保证小容量电池不发生过充电行为，小容量电池如果始终处于相对较高的充放电倍率下，衰减速度始终是最快的，高倍率充放电还会引发 “热失控” 故障。
一致性问题对电池组的影响巨大。它会导致实际续航里程逐渐缩水，充电量也逐渐降低，还会影响 SOC 估算的准确性和热管理，特别是热失控管理，是电池组安全高效运转的常见问题和技术难点。
（二）功效发挥受限
BMS 在发挥电池组运行功效方面存在明显短板。当电池组发生严重不一致性问题后，BMS 为防止 “落后” 电池过充电和过放电，会适时发出高压和低压预警信息，并关闭充电通道和放电通道。这将导致正常电池无法充满电和有效放电，容量无法得到有效利用。对于电动汽车而言，就是续航里程短时间内缩水严重。研制 BMS 的本意是保障电池组的稳定运行，包括安全充放电、运行稳定以及容量的持续稳定。但由于 BMS 未能很好地发挥电池组的运行功效，无法保证电池组的合理衰减，意味着其功能和作用没有100%实现。
（三）被动均衡的缺陷
被动均衡在解决电池组问题中存在诸多局限性。首先，被动均衡的均衡电流非常小，通常只有 100mA 左右，对于几十 Ah 以上的车载动力电池组来说均衡作用非常有限。如果提高均衡电流，发热问题不可小觑，会加剧电池组的温升，特别是在夏季。其次，被动均衡只能进行充电均衡，无法进行放电均衡。当最小容量电池放电完毕后，电池组的放电就结束了，即使其他电池还有很多剩余容量也不起任何作用，造成容量浪费问题严重，续航里程的缩水问题也很严重。此外，被动均衡会让容量最小的电池始终工作在相对较高的充放电倍率下，衰减速度相对最快，使其容量变得越来越少，最终导致电池组的可用容量快速下降。
（四）影响 SOC 估算
一致性和衰减问题对 SOC 估算准确性有很大影响。一致性问题和衰减问题的存在会导致衰减电池的电压变化量加大，直接影响 SOC 估算的准确性和误差。例如，衰减电池在放电期间，特别是临近放电结束时，电压会快速下降，SOC 估算值也会随之快速下降，而不是缓慢下降；当停止放电或大幅度降低放电电流时，衰减电池的电压又会大幅度反弹，从而使 SOC 估算值又快速反弹，这种情况又称 SOC 跳变。这将严重影响 SOC 估算值的准确性和相对稳定性，直接干扰和影响用户出行决策。在出行时，用户可能会因为 SOC 估算不准确而面临半路没电抛锚等问题，甚至在高速公路上行驶时容易发生被追尾事件。
四、新能源汽车电池管理系统的发展趋势
（一）无线 BMS 的兴起
无线 BMS 近年来逐渐兴起，展现出诸多技术优势。首先，在结构上，它省去了大量的线束和连接器，显著简化了结构。传统有线 BMS 通过复杂的铜线束连接各个电池模组和传感器至中央控制器，不仅增加了车辆重量和成本，还占用了宝贵空间资源。而无线 BMS 通过无线通信技术实现电池模组之间的信息互通，有效减轻了电池系统的重量，提高了电动汽车的续航里程，据统计，每辆车能节省 10m 以上的导线以及 0.5kg 的连接器，每生产 50000 辆车，将节省 500km 的导线以及 25000kg 的连接器。同时，也降低了制造成本。
在可靠性和安全性方面，有线 BMS 的布线复杂，容易受到振动和冲击的影响，成为潜在的故障点。无线 BMS 则减少了故障点，提高了电池系统的整体可靠性和安全性。例如，TI 的无线 BMS 解决方案已通过汽车制造商符合汽车安全完整性等级 ASIL D 认证，以及更高水准的国际标准化组织 (ISO) 26262 认证，网络可用性超过 99.999% 和 300ms 的网络重启更大可用性，且网络数据包错误率小于 10-7。此外，无线 BMS 还可以通过软件算法实现更精准的电池状态监测和故障诊断，进一步提高系统的安全性。
在维护升级方面，无线 BMS 使得电池系统的维护和升级变得更加简单快捷。当电池系统出现故障时，工程师可以通过无线诊断设备快速定位问题所在，并进行远程修复或更换故障模组。同时，随着电池技术的不断进步，无线 BMS 可以通过软件升级来适应新的电池配方和功能需求，延长了电池系统的使用寿命。
无线 BMS 在电动汽车、储能系统等领域具有广阔的应用前景。在电动汽车市场中，随着消费者对续航里程和电池安全性的需求不断攀升，无线 BMS 凭借其高效、安全、可靠的特点，将成为电动汽车电池管理系统的主流选择。通过无线 BMS，电动汽车可以实现更精准的电池状态监测、更高效的能量管理以及更快速的故障诊断，提升整车的性能和安全性。在可再生能源领域，储能系统对于电能的储存和利用至关重要。无线 BMS 的应用可以简化储能系统的设计和维护，提高系统的可靠性和安全性。通过无线通信技术，储能系统可以实现对电池组状态的实时监测和远程管理，确保系统的稳定运行和高效利用。
（二）智能化与集成化
未来，无线 BMS 将更加注重智能化和集成化的发展。通过结合人工智能和大数据技术，无线 BMS 可以实现更精准的电池状态预测、更高效的能量管理以及更快速的故障诊断。例如，利用大数据分析电池的历史数据，预测电池的使用寿命和剩余电量，以便用户及时进行充电或更换电池。同时，通过人工智能算法实现自适应均衡充电，根据电池的实际状态动态调整充电策略，提高电池的使用寿命和效率。
随着半导体技术的不断进步，BMS 芯片的集成度也将不断提高，使得无线 BMS 的体积更小、重量更轻、性能更强。未来的无线 BMS 可能会集成更多的功能模块，如传感器、通信模块、处理器等，实现一站式的电池管理解决方案。这样不仅可以提高系统的稳定性和可靠性，还可以降低成本，提高市场竞争力。
（三）安全性与可靠性提升
无线 BMS 在提升电池安全性和可靠性方面起着重要作用。通过更精准的电池状态监测和保护功能，无线 BMS 可以防止电池的过充、过放、过温等情况的发生。例如，当电池温度升高得太高时，无线 BMS 可以应用热敏电阻和热熔断器来保护电池，打开电路并断开电池，防止热失控和短路，从而避免爆炸和火灾。
同时，无线 BMS 还将具备电池短路、过电流等故障的检测和保护功能，确保电池系统的稳定运行。例如，当电池发生短路时，无线 BMS 会启动过流保护，采用热熔断器、智能熔断器或断路器等方式，防止大电流导致电池迅速升温并发生热失控事件。此外，无线 BMS 还可以通过软件算法实现故障诊断和预警，及时通知用户和维修人员进行处理，提高系统的安全性和可靠性。
（四）生态化应用
无线 BMS 将实现生态化应用，与其他领域的技术进行深度融合。例如，将 BMS 技术与能源管理系统、智能家居系统、智慧城市系统等进行融合，实现分布式储能系统的管理和调度，提高能源利用效率和降低能源消耗。在智能家居领域，无线 BMS 可以与智能家居系统实现无缝连接，为家庭储能系统提供精准的电池状态监测和能量管理解决方案，提高家庭能源的利用效率和可靠性。
在无人驾驶领域，无线 BMS 可以实现电池的自动充电和更加智能化的驾驶体验。通过与无人驾驶技术的融合，无线 BMS 可以根据车辆的行驶状态和电池的剩余电量，自动规划充电路线和充电时间，实现无人值守的自动充电。同时，无线 BMS 还可以通过与车辆的传感器和控制系统的融合，实现更加智能化的驾驶体验，提高车辆的安全性和舒适性。